MIKROEXTRAKCE TUHOU FÁZÍ (Solid Phase MicroExtraction, SPME)

Transkript

1 MIKROEXTRAKCE TUHOU FÁZÍ (Solid Phase MicroExtraction, SPME) Představení SPME techniky co je a jak pracuje SPME výhody a omezení SPME aplikace SPME Nové trendy v SPME SPME membrána SBSE

2 co je SPME? Extrakce pevnou fází o malém objemu: VLÁKNO KAPILÁRA MÍCHADLO SUSPENDOVANÉ ČÁSTICE STĚNA NÁDOBY MEMBRÁNA. J. Pawliszyn, SPME, Theory and Applications, Course notes, 2003

3 Používané zařízení Křemenné vlákno s chemicky modifikovaným povrchem (stacionární fáze) Délka vlákna: cca 1 cm Vnitřní průměr: 0,05 1 mm

4 jak SPME pracuje? SORPCE Přímá (DI) SPME Head-space (HS) SPME

5 jak SPME pracuje? DESORPCE Tepelná Rozpouštědlem

6 Představení SPME techniky jak se pracuje se SPME SORPCE

7 jak se pracuje se SPME DESORPCE

8 jak se pracuje se SPME AUTOMATICKY

9 historie a vývoj SPME konec 80. let 20. století: Prof. Janusz Pawliszyn a kol. Univerzita ve Waterloo, Kanada optická vlákna, desorpce laser, GC separace - zdlouhavé křemenná vlákna s vrstvou polymerní fáze, sorpce v roztoku, desorpce GC injektor ruční otvírání GC injektoru vlákna v mikrostříkačce s ochrannou jehlou, spojení s pístem, desorpce GC injektor v této podobě dodnes LITERATURA: Pawliszyn J., Liu S. : Anal. Chem. 59, 1475 (1987) Arthur C.L., Pawliszyn J.: Anal. Chem. 62, 2145 (1990) Zhang Z., Yang M. J., Pawliszyn J.: Anal Chem. 66, 844 A (1994) Pawliszyn J.: Solid phase microextraxtion: theory and practice. Wiley VCH, Inc. New York 1997, ISBN

10 teorie SPME ROVNOVÁHA Přímá SPME c o.v s = c fv f + c s.v s f..stac.fáze, s..matrice n K fs = c f / c s K K fs fs.v f.c0.v.v V f s s Head-Space SPME c o.v s = c fv f + c s.v s + c h.v h h..head-space K fh = c f / c h, K hs = c h / c s n K fs K.V f fs.v f.c0.vs K.V hs h V s Je-li K fs malé nebo V s velké: tzn. K fs.v f << V s, pak: Je-li K fs velké: K fs.v f >> V s, n = V s.c o (kvant. extrakce) n = K fs.v f.c o

11 1. VOLBA VLÁKNA (polarita, tloušťka stacionární fáze) 2. PODMÍNKY SORPCE (extrakční mód, úprava vzorku, poloha vlákna, teplota, doba, míchání) 3. PODMÍNKY DESORPCE (umístění vlákna, typ lineru, teplota, délka; typ a objem rozpouštědla, statická x dynamická)

12 1. VLÁKNO DRUH FÁZE (zkratka) Polydimethylsiloxan (PDMS) Polyakrylát (PA) Carbowax/divinylbenzen (CW/DVB) Polydimethylsiloxan/ Carboxen (PDMS/CX) Carbowax/Templated Resin (CW/TPR) Polydimethylsiloxan/ divinylbenzen (PDMS/DVB) Polydimethylsiloxan/ Carboxen/divinylbenzen (PDMS/CX/DVB) TLOUŠŤKA FÁZE ( m) ANALYTY POPIS URČENA PRO 100 těkavé nevázaná GC/HPLC 30 středně těkav. nevázaná GC/HPLC 7 středně těkav. ch. vázaná GC/HPLC 85 středně těkav. část. GC/HPLC polární prokřížená 65 polární část. GC prokřížená 75 těkavé část. GC stopová mn. prokřížená 50 PAL část. HPLC prokřížená 65 těkavé polární část. GC obecné použ. prokřížená 60 30/50 obecné použ. část. prokřížená HPLC GC

13 1. VLÁKNO Polydimethylsiloxan (PDMS) Polyakrylát (PA) CH3 H H Si O C C CH3 n H C O n O CH3 Carbowax (CW) Divinylbenzen (DVB) H H H H H H C C O C C C C H H n H H H H n

14 1. VLÁKNO POLARITA polarita analytu

15 1. VLÁKNO MECHANISMUS SORPCE CHARAKTERISTIKA FÁZE MECHANISMUS SORPCE KAPACITA SOUTĚŽ ANALYTŮ o vazebná místa LINEÁRNÍ ROZSAH MEZE STANOVITELNOSTI ADSORBENTY (obsahují DVB či CX) pevný porézní materiál velký povrch fyzikální interakce, zachycení v pórech, chemická vazba omezená (zahlcení) ANO (hl. DVB jednotné póry) menší (zlepšení: extrakční doby mez stanovitelnosti) nízké ABSORBENTY (PDMS, PA) kapalná polymerní fáze analyty migrují do a z fáze zádrž dána tloušťkou fáze velká (silný film fáze) NE široký vyšší

16 1. VLÁKNO MECHANISMUS SORPCE ABSORBENTY PDMS: polymerní kapalina snadnější difůze analytů nepolární fáze nepolární analyty PA: pevný polymer pomalejší difůze nepolární C-páteř, polární esterové řetězce širší spektrum ADSORBENTY DVB: hlavně makro- a mezo- póry CX: rovnoměrná distribuce, více mikro- než DVB (0,29 mikro, 0,23 mezo, 0,26 makropórů v ml/g) Macropore Carboxen Part Mesopore Micropore

17 1.VLÁKNO MECHANISMUS SORPCE ABSORBENTY (PDMS, PA) x ADSORBENTY (DVB, CX) PDMS fáze částice Carboxenu (2-10µm) vlákno Carboxen Particle Analyty migrují mezi vrstvami vyšší kapacita SUPELCO, Sigma-Aldrich.com Macropore Mesopore Micropore ml per gram 0.44 micropores 0.16 mesopores 0.25 macropores

18 Představení SPME techniky Tloušťka sorbované množství pomalejší ustavení rovnováhy (difůze) MALÉ MOLEKULY (M R = 60 90) - sorpci ovlivňuje spíše typ sorpce (AD x AB) a velikost pórů - nejlepší CX, DVB/CX, PDMS/DVB 1. VLÁKNO - VOLBA TLOUŠŤKA STACIONÁRNÍ FÁZE STŘEDNĚ VELKÉ MOLEKULY (M R = ) - důležitý tvar (substituenty) a velikost molekuly Výhoda použití polárního vlákna - polární analyty s M R > 90

19 1. VLÁKNO - VOLBA CITLIVOST - univerzálnost x selektivita PA SROVNÁNÍ VLÁKEN KÁVA, T 30 o C, S 60 min PDMS/CX CWX/DVB PDMS 100 PDMS/DVB PDMS/CX/ DVB

20 1. VLÁKNO - VOLBA CITLIVOST - univerzálnost x selektivita

21 2. SORPCE ÚPRAVA VZORKU (objem, navážka, mechanická úprava - mletí, modifikace matrice ph, vysolení, naředění, rozetření se sorbentem, přídavek rozpouštědla) MÍCHÁNÍ TEPLOTA SORPCE DOBA SORPCE POLOHA VLÁKNA PŘI VZORKOVÁNÍ TYP NÁDOBKY A UZÁVĚRU (tvar septa)

22 ÚPRAVA VZORKU SKOŘICE VLIV MLETÍ na obsah kumarinu 2. SORPCE odezva 10x mg/kg 400 mg/kg 1800 mg/kg mletá skořice celá skořice celá skořice "jemně" mletá

23 2. SORPCE ÚPRAVA VZORKU PŘÍDAVEK ROZPOUŠTĚDEL (-) PŘÍDAVEK STANDARDU: CS 2 v butanolu, 5 ml vody ODEZVA 1 l n-butanolu 10 l n-butanolu sirouhlík 100 % 53 % n-butanol 100 % 445 %

24 Odezva (%) Představení SPME techniky 2. SORPCE VLIV MATRICE ALKOHOLICKÉ NÁPOJE (-) přídavek furanu 0,24 µg Odezvy furanu ve vodě a v roztocích ethanolu VODA Ethanol 1% Ethanol 2% Ethanol 4% Ethanol 5%

25 ECD response Představení SPME techniky 2. SORPCE ÚPRAVA VZORKU PŘÍDAVEK ROZPOUŠTĚDEL (+) MODIFIKACE MATRICE: PAEs v oleji (1 g) + methanol DMP DEP DnBP BBP DEHP DnOP volume of methanol (ul)

26 2. SORPCE ÚPRAVA VZORKU VYSOLENÍ (a úprava ph) Pozitivní vliv: neutrální molekuly snížení rozpustnosti Negativní vliv: ionizované analyty zvýšení iontové síly, preferují roztok vnesení nečistot (sekundární kontaminace) poškození vlákna

27 plocha píku plocha píku Představení SPME techniky 2. SORPCE ÚPRAVA VZORKU VYSOLENÍ (+) Pozitivní vliv: FURAN voda x káva Modelový systém voda Vzorek mleté kávy zalitý vodou % 100 % voda voda se solí % 100 % káva káva se solí % 100 % furan D4-furan furan

28 2. SORPCE ÚPRAVA VZORKU VYSOLENÍ (-) Poškození vlákna 65 µm CWX/DVB - 30 % NaCl ve vodě A nové B 6 extrakcí C 15 extrakcí limit 10 % NaCl (100 extrakcí) (F.Hernandez a kol.: Use of SPME for the Quantitatve Determination of Herbicides in Soil and Water Samples, Anal.Chem 2000, Vol.72, No.10, )

29 2. SORPCE MÍCHÁNÍ magnetické, sonikace, vibrace jehly (vialky) HS-SPME - těkavé analyty nemá výrazný vliv - méně těkavé analyty rychlejší transport DI-SPME rychlejší transport a) dokonale b) dobře c) špatně míchaný roztok (J.Pawliszyn: SPME: Theory and practice, Wiley-VCH,Inc., NY 1997, ISBN )

30 % odezvy % odezvy Představení SPME techniky 2. SORPCE TEPLOTA SORPCE T difůze k vláknu, zádrž analytu s. f. x POVAHA ANALYTU H-S stanovení terpenů v kůře jehličnanů Teplota ( C) a-pinen kamfen b-myrcen b-pinen 3-karen limonen bornyl acetat b-karyofyllen Teplota ( C) a-humulen

31 Množství analytu MSD response Představení SPME techniky 2. SORPCE DÉLKA SORPCE ROVNOVÁHA max. citlivost, dobrá opakovatelnost X - často z praktického hlediska nepoužitelné DMP DEP DnBP BBP DEHP DnOP čas Extraction time (min)

32 3. DESORPCE POLOHA VLÁKNA V NÁSTŘIKOVÉM PROSTORU RYCHLOST VYSUNUTÍ VLÁKNA OBJEM GC LINERU DESORPČNÍ TEPLOTA DÉLKA DESORPCE

33 3. DESORPCE DESORPČNÍ TEPLOTA kvantitativně a rychle

34 3. DESORPCE TEPLOTA KOLONY zaostření DÉLKA A TEPLOTA DESORPCE carry-over efekt, snížení zahlcení kolony OBJEM GC LINERU ovlivnění chromatografie BENZEN PDMS 100 T des 300 o C

35 DÉLKA DESORPCE snížení zahlcení kolony, ovlivnění chromatografie Terpenické látky v jehličí Smrku ztepilého Vzorek: 3,5 g větviček Extrakce: 25 o C, 20 min PDMS 100 µm GC/FID, DB-5MS 990 µl liner 3. DESORPCE 1 minuta

36 Možnosti SPME výhody a omezení SPME VÝHODY: + snadné provedení + ekonomicky nenáročné + bez použití rozpouštědel (ekonomika, zdravotní aspekt) + citlivost + automatizovatelnost + vzorkování in situ + opakované použití vlákna NEVÝHODY: - (někdy) náročná optimalizace - ne-reprezentativnost - nemožnost použití nepolárních rozpouštědel - (horší opakovatelnost) - možná saturace detektoru - ne-robustnost

37 Možnosti SPME výhody a omezení Typ vzorků - co lze analyzovat?

38 Možnosti SPME výhody a omezení Typ vzorků - co lze analyzovat? TÉMĚŘ VŠECHNO!!!

39 Možnosti SPME výhody a omezení Typ vzorků - co lze analyzovat? EXTRAKČNÍ MÓD H-S x DI: povaha matrice a analytu CITLIVOST, INFORMACE O SLOŽENÍ VZORKU limonada_ln2365_di_pa_co :28:24 RT: 0,00-49, Re70 lati ve 60 Ab 50 un da 40 nc e ,72 1,65 LIMONÁDA - CITRUS HS SPME, PA, 40 C, 5 ml Time (min) 25,34 33,63 33,38 43,56 43,29 22,82 45,38 47,52 28,15 40,88 4,07 32,47 7,38 10,01 11,63 14,97 18,67 19,87 22,50 DI SPME, PA, 40 C, 7,5 ml 23,69 31,27 40,77 36,56 38,11 26,59 28,76 25,34 D-limonen Cyklodekanol 33,38 p-menth-1-en-8-ol ISOPROPYLPALMITAT Ethylcitrat 43,57 p-mentha-1,4(8) dien 41,64 45,38 CO2 22,80 Oktanal Pentadekanal 46,26 4,07 28,15 40,88 23,70 31,27 32,45 26,60 36,55 38,10 0,37 1,87 6,09 7,39 10,25 12,38 15,08 18,50 22,42 30,77 33,64 NL: 1,00E7 TIC MS limonada_l N2365_PA NL: 1,00E7 TIC MS limonada_l N2365_DI_ PA_CO2

40 Možnosti SPME APLIKACE SPME I. Analýzy cílené na kvantifikaci známého analytu II. Srovnávací analýzy profiling a) identifikace původce off-flavour b) diferenciace mezi vzorky s různou historií

41 Počet publikací Možnosti SPME APLIKACE SPME Databáze Chemical Abstracts (SciFinder Scholar) Publikace do července (*)

42 NOVÉ TRENDY V SPME SPME MEMBRÁNA prokřížený PDMS počáteční rychlost SPME přímo úměrná povrchové ploše sorbentu VLÁKNO (100 µm PDMS) MEMBRÁNA (1 cm x 1 cm PDMS) PLOCHA POVRCHU A f = 10 mm 2 A m = 200 mm 2 OBJEM FÁZE V f = 0,61 mm 3 V m = 2,55 mm 3 POMĚR OBJEMŮ V m / V f = 4,5 POMĚR PLOCH A m / A f = 20 RYCHLOST CITLIVOST X DESORPCE???

43 NOVÉ TRENDY V SPME STIR BAR SORPTIVE EXTRACTION (SBSE) TWISTER (Gerstel GmbH, Německo) PDMS ROZMĚRY: MAGNET Délka = 10; 20; 40 mm Vnější průměr = 3,2 mm objem s.f. cca µl Tloušťka flmu = 0,5; 1 mm (vlákno cca 0,6 µl) kvantitativní výtěžnost sloučenin s K ow 500 stanovit lze i sloučeniny s K ow SKLO

44 NOVÉ TRENDY V SPME STIR BAR SORPTIVE EXTRACTION (SBSE) Výtěžnost HS-SPME a SBSE v závislosti na log K OW analytů

45 NOVÉ TRENDY V SPME STIR BAR SORPTIVE EXTRACTION (SBSE) Provedení SBSE: - přímá extrakce v kapalném vzorku - osušení - umístění ve skleněné desorpční trubici (187 x 4 mm) - tepelná desorpce (Thermo Desorption Systém TDS-2, Gerstel) - GC analýza

46 NOVÉ TRENDY V SPME STIR BAR SORPTIVE EXTRACTION (SBSE) POZITIVA: x nižší detekční limity (µg ng/l) než SPME kvantitativní extrakce s velkým lineárním rozpětím snadné a rychlé provedení automatiz. desorpce teplem simultánní analýza více vzorků PROBLÉMY: zatím neprozkoumaná možnost opakovaného použití - carry-over efekt nízká citlivost pro polárnější analyty vysoké pozadí z komplexních matric (zpětná extrakce rozpouštědlem)